ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ
1)Να σχεδιαστεί το γενικό διάγραμμα ενός ψηφιακού τηλεπικοινωνιακού συστήματος.
(Απάντηση σελίδα 288)
2)Πώς ορίζεται η πηγή διακριτών πληροφοριών.
(Απάντηση σελίδα 288)
-
Στις ψηφιακές επικοινωνίες η μετάδοση αφορά διακριτά σήματα, που συνήθως ονομάζονται σύμβολα. Η πληροφορία είναι συνδυασμός αυτών των συμβόλων που μεταδίδονται διαδοχικά με τρόπο που ο δέκτης μπορεί και αναπαράγει την πληροφορία. Το σύνολο των διακριτών συμβόλων αποτελούν για το ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα την πηγή της πληροφορίας (σε αντίθεση με το αναλογικό φυσικό δεδομένο στα αναλογικά συστήματα πληροφοριών).
Για παράδειγμα, το σύνολο των γραμμάτων του αλφαβήτου και το σύνολο των σημείων στίξης που αρκούν για τη διατύπωση και τη μετάδοση του γραπτού λόγου (κειμένου) αποτελούν διακριτή πηγή πληροφορίας, σε αντίθεση με τη συνεχή (αναλογική) πηγή φυσικών δεδομένων, που είναι ο προφορικός λόγος.
-
3)Να σχεδιαστεί η χρονική εικόνα ενός απλού ψηφιακού σήματος (NRZ).
(Απάντηση σελίδα 289)
4)Να περιγραφεί σχηματικά η διαδικασία της δειγματοληψίας και κωδικοποιήσης ενός αναλογικού σήματος.
(Απάντηση σελίδα 290 και 291)
Το αναλογικό σήμα αντικαθίσταται από ένα σύνολο διακριτών δειγμάτων που λαμβάνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, αφού το σήμα πολλαπλασιάζεται με ένα παλμικό σήμα Δ(t) που ελέγχει το διακόπτη του σχήματος. Αν η συχνότητα του παλμικού σήματος Δ(t), που ονομάζεται ‘συχνότητα δειγματοληψίας’, ικανοποιεί τη συνθήκη
fΔ ≥ Fmax (2)
(όπου Fmax η μέγιστη συχνότητα του αρχικού βασικού σήματος s(t)), αποδεικνύεται ότι το σήμα s´(t) που προκύπτει απ’ αυτή τη διαδικασία περιέχει την ίδια ποσότητα πληροφορίας με το αρχικό σήμα και μπορεί να το αντιπροσωπεύσει στην περαιτέρω διαδικασία μετάδοσης. Για παράδειγμα, στην τηλεφωνία, όπου Fmax = 3400 Hz, επιλέγεται συχνότητα δειγματοληψίας fΔ ≈ 7 kHz .
Ο ελάχιστος αριθμός των δειγμάτων (διακριτών καταστάσεων ή συμβόλων) ανά μονάδα του χρόνου είναι :
Rs = RΔ = fΔ = 2Fmax (3)
Τα δείγματα του σήματος λαμβάνονται με διακριτές στάθμες πλάτους (κβαντοποιείται η τιμή τους με την επιθυμητή ακρίβεια ΔV). Έτσι αποτελούν πλέον την πηγή των διακριτών καταστάσεων (συμβόλων) και κωδικοποιούνται μ’ ένα σύνολο από Dbits. Αυτή η κωδικοποίηση, γνωστή με τον όρο PCM (PulseCodeModulation), αποτελεί την προς μετάδοση ψηφιακή πληροφορία.
5)Να δοθούν τα κριτήρια Nyquist και Shannon που περιορίζουν το ρυθμό μετάδοσης σ’ ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι.
(Απάντηση σελίδα 293)
Τελικά ένα ψηφιακό κανάλι μετάδοσης χαρακτηρίζεται από δύο βασικές παραμέτρους:
- Τη μέγιστη δυνατή τιμή του ρυθμού εναλλαγής συμβόλων Rs.
- Τη δυνατότητα που παρέχει, ώστε να μπορούν να διαφοροποιηθούν κατά τη μετάδοση Κ κωδικοποιημένα διαφορετικά σύμβολα (διακριτική ικανότητα καταστάσεων).
Αποδεικνύεται (κριτήριο Niquist) ότι σε κανάλι με φασματικό εύρος ζώνης Β ο μέγιστος ρυθμός συμβόλων δίνεται από τη σχέση:
Rsmax = 2B (5)
Όσον αφορά το μέγιστο αριθμό των διακριτών καταστάσεων που εξασφαλίζει το κανάλι (διακριτική ικανότητα καταστάσεων) παρουσία θορύβου, αποδεικνύεται (θεώρημα Shannon) ότι:
Κmax= (1+S/N)1/2 (6)
6)Να δοθεί ο ορισμός της ψηφιακής διαμόρφωσης αναλογικού (ημιτονικού) φέροντος.
(Απάντηση σελίδα 295)
Στις ψηφιακές διαμορφώσεις αναλογικού φέροντος το φέρον είναι ημιτονικό σήμα M(t) και το σήμα διαμόρφωσης είναι ψηφιακή πληροφορία δυαδική (δύο καταστάσεων ‘0’ ,’1’ ) ή Κ-αδική (Κ διαφορετικών καταστάσεων, που αντιπροσωπεύονται από ομάδες – κώδικες των log2 Κ bits). Κάποια παράμετρος (το πλάτος, ή η συχνότητα ή η φάση) του διαμορφωμένου φέροντος Ε(t) μεταβάλλεται στο ρυθμό της πληροφορίας.
7)Να εξηγηθεί τι είναι η διαμόρφωση ΟΟΚ και να δοθεί το εύρος φάσματος.
(Απάντηση σελίδα 295 και 296)
Πρόκειται για διαμόρφωση πλάτους (AmplitudeShiftKeying).
Οι Κ διακριτές καταστάσεις της πληροφορίας αντιπροσωπεύονται από διαφορετικές τιμές πλάτους του φέροντος σήματος. Στην περίπτωση που Κ=2 (δυαδικές καταστάσεις) έχουμε την διαμόρφωση ΟΟΚ (On-OffKeying), που φαίνεται στη γραφική παράσταση του σχήματος 9.2.1.
Το εύρος του φάσματος μετά τη διαμόρφωση είναι :
Βολ = 2Β = 2 . 0,8R = 1,6R (11)
8)Να εξηγηθεί η διαμόρφωση FSK και να προσδιοριστεί το εύρος φάσματος.
(Απάντηση σελίδα 296 και 297)
Πρόκειται για διαμόρφωση συχνότητας (FrequencyShiftKeying) όπου η συχνότητα του φέροντος για τις δύο δυαδικές καταστάσεις ‘0’ και ‘1’ παίρνει δύο διακριτές διαφορετικές τιμές:
Για στάθμη ‘0’ : f = fo – Δf
Για στάθμη ‘1’ : f = fo + Δf
το φάσμα και το εύρος της φασματικής ζώνης. Αυτό απεικονίζεται στο σχήμα 9.2.6, απ’ όπου φαίνεται ότι μετά τη διαμόρφωση έχουμε:
Βολ = 2Β + 2Δf (13)
Β = 0,8Rs (Rs = R σε bits/sec)
9)Να δοθεί το γενικό διάγραμμα ενός διαμορφωτή BPSK και το φάσμα του διαμορφωμένου σήματος.
(Απάντηση σελίδα 298)
Η φασματική εικόνα είναι η ίδια με την περίπτωση της ΟΟΚ, με τη διαφορά ότι στην περίπτωση της BPSK δεν υπάρχει φασματική συνιστώσα του φέροντος (στη συχνότητα fo).
10)Να δοθεί ο ορισμός της διαμόρφωσης QPSK.
(Απάντηση σελίδα 299)
Διαμόρφωση QPSK: Στην περίπτωση που Κ = 4, η διαμόρφωση PSK αναφέρεται ως QPSK( QuadraturePhaseShiftKeying).
Πρόκειται για διαμόρφωση φάσης τεσσάρων διακριτών καταστάσεων που αντιστοιχούν (όπως φαίνεται στον πίνακα του σχήματος 9.2.9) σε πληροφορία που κωδικοποιείται από ένα ζευγάρι δυαδικών στοιχείων: ‘00’, ‘01’, ‘10’, ‘11’.
11)Τι είδους αποδιαμόρφωση χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις OOK, FSK και PSK.
(Απάντηση σελίδα 300)
Η αποδιαμόρφωση των σημάτων OOK, FSK και PSK στο δέκτη γίνεται με τη χρήση σύμφωνου (σύγχρονου ) αποδιαμορφωτή.
12)Γιατί μετά την αποδιαμόρφωση χρησιμοποιείται στάδιο επαναμορφοποίησης (αποκατάστασης) των δυαδικών σημάτων (παλμών).
(Απάντηση σελίδα 300)
Στην έξοδο του αποδιαμορφωτή συνήθως οι παλμοί (η ψηφιακή πληροφορία) εμφανίζονται παραμορφωμένοι, λόγω του περιορισμού που υπέστη το φάσμα τους στο τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Γι’ αυτό πάντοτε μετά την αποδιαμόρφωση ακολουθεί στάδιο επαναμορφοποίησης των παλμών (σχήμα 9.2.10).
13)Τι είναι το τηλεκείμενο (teletext);
(Απάντηση σελίδα 301)
14)Ποια πλεονεκτήματα προσφέρει η τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας σε σχέση με την κοινή τηλεόραση;
(Απάντηση σελίδα 304)
Για τη βελτίωση της ποιότητας τηλεθέασης έγινε αντιληπτό ότι θα έπρεπε να αυξηθεί το πλήθος των γραμμών σάρωσης και να μεγαλώσει περισσότερο το πλάτος της τηλεοπτικής οθόνης. Αυτό σήμαινε αποδοχή ενός νέου τηλεοπτικού προτύπου, πράγμα που αποτέλεσε το μεγαλύτερο ανασταλτικό παράγοντα στην καθιέρωση της νέας τεχνολογίας.
Οι πρώτες προσπάθειες για τη δημιουργία του νέου πρότυπου που ονομάστηκε "τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας" (HDTV, από το HighDefinitionTeleVision)
Επομένως με την αύξηση των γραμμών σάρωσης βελτιώθηκε και η ευκρίνεια της τηλεόρασης.
15)Ποια είναι τα δύο συστήματα τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας που υπάρχουν σε λειτουργία και ποια είναι τα χαρακτηριστικά τους;
(Απάντηση σελίδα 305)
Το ιαπωνικό σύστημα HDTV, που ονομάζεται NHKHi-Vision, το μεγάλο εύρος ζώνηςτου κάνει σχεδόν αδύνατη τη χρήση του στα επίγεια κανάλια ασύρματης εκπομπής, τα οποία είναι ήδη ασφυκτικά κατειλημμένα και από άλλες υπηρεσίες. Γι' αυτό διαδόθηκε μια παραλλαγή του συστήματος για εκπομπή από δορυφόρους άμεσης εκπομπής (DBS), που ονομάζεται σύστημα MUSE. (MultiplesUb-nyquistSamplingandEncoding, πολλαπλή υποδειγματοληψία Nyquist και κωδικοποίηση).
(Απάντηση σελίδα 306)
Για παράδειγμα, στο κανάλι που εκπέμπεται ένα πρόγραμμα υψηλής ευκρίνειας μπορούν με τις ίδιες τεχνικές συμπίεσης να εκπεμφθούν τέσσερα κανάλια κοινής ευκρίνειας. Γι' αυτό το αμερικανικό σύστημα, αντί να ονομάζεται HDTV, επικράτησε να ονομάζεται DTV (DigitalTV, ψηφιακή τηλεόραση).
Τα πρότυπα απεικονίσεων που υποστηρίζονται μεταξύ άλλων είναι τα εξής:
- 480p -640 x 480 εικονοστοιχεία, προοδευτική σάρωση (4:3)
- 720p -1280 x 720 εικονοστοιχεία, προοδευτική σάρωση (16:9)
- 1080i-1920 x 1080εικονοστοιχεία, ενδιάμεση σάρωση (16:9)
16)Τι ονομάζουμε συμπίεση ψηφιακών δεδομένων και γιατί τη χρησιμοποιούμε;
(Απάντηση σελίδα 307)
Όπως είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο, το πρότυπο της ψηφιακής τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη συμπίεση των ψηφιακών δεδομένων. Αυτή η συμπίεση αποτελεί τεχνολογία που προήλθε από το χώρο των ηλεκτρονικών υπολογιστών, γιατί στηρίζεται σε υπολογιστικές μεθόδους. Η συμπίεση των ψηφιακών δεδομένων αρχικά αναπτύχθηκε για να λύσει το πρόβλημα της αποθήκευσης μεγάλου όγκου δεδομένων, αλλά κατόπιν χρησιμοποιήθηκε κυρίως για να διευκολύνει τη μετάδοση ψηφιακών πληροφοριών μεταξύ υπολογιστών. Χωρίς αυτή τη συμπίεση δεν θα ήταν, για παράδειγμα, δυνατή η σημερινή διάδοση του internet
17)Σε τι διαφέρουν οι απωλεστικές και οι μη απωλεστικές μέθοδοι συμπίεσης δεδομένων μεταξύ τους;
(Απάντηση σελίδα 308)
Υπάρχουν δύο κατηγορίες μεθόδων συμπίεσης δεδομένων, οι απωλεστικές και οι μη απωλεστικές. Με την πρώτη κατηγορία τα δεδομένα που παίρνουμε μετά την αποσυμπίεση δεν είναι ίδια με αυτά που είχαμε πριν τη συμπίεση. Αυτές τις μεθόδους τις χρησιμοποιούμε μόνο για συμπίεση αρχείων εικόνας και ήχου. Με τη δεύτερη κατηγορία τα δεδομένα παραμένουν ίδια πριν και μετά και γι' αυτό αυτές οι μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιοδήποτε τύπο δεδομένων.
18)Πώς λειτουργεί η μέθοδος συμπίεσης δεδομένων JPEG;
(Απάντηση σελίδα 309)
Η μέθοδος JPEG (JointPhotographicExpertsGroup) λειτουργεί μετατρέποντας αρχικά τις RGB πληροφορίες των εικονοστοιχείων της εικόνας σε πληροφορίες φωτεινότητας και χρωμικότητας του κόκκινου και του μπλε (YCrCb). Εκμεταλλευόμενη τη μειωμένη ευαισθησία της όρασης στα χρώματα, η μέθοδος χρησιμοποιεί υποδειγματοληψία και ελαττώνει τις πληροφορίες για τις χρωμικότητες στο μισό ή το ένα τέταρτο του αρχικού (μορφές 4:2:2 ή 4:2:0). Με τον τρόπο αυτό προκύπτει μια πρώτη συμπίεση των δεδομένων. Στη συνέχεια, η εικόνα χωρίζεται σε τμήματα μεγέθους 8 x 8 εικονοστοιχείων. Σε κάθε τέτοιο τμήμα εφαρμόζονται πολύπλοκοι μαθηματικοί μετασχηματισμοί και προκύπτουν 64 νούμερα που περιγράφουν τη φωτεινότητα και τη χρωμικότητα του κάθε εικονοστοιχείου της ομάδας. Οι μικρότεροι απ' αυτούς τους αριθμούς στρογγυλοποιούνται στο μηδέν. Όσο περισσότεροι αριθμοί μηδενιστούν τόσο μεγαλύτερη συμπίεση θα πετύχουμε και τόσο χειρότερη θα είναι η ποιότητα της τελικής εικόνας. Επειδή τα πολλά μηδενικά σχηματίζουν επαναλαμβανόμενες ομάδες, εφαρμόζεται στο τέλος και συμπίεση Huffman, η οποία δίνει το τελικό μικρό μέγεθος στα συμπιεσμένα αρχεία.
19)Πώς λειτουργεί η μέθοδος συμπίεσης δεδομένων MPEG;
(Απάντηση σελίδα 309 και 310)
Η συμπίεση MPEG(MotionPicturesExpertsGroup) και οι εκδοχές της MPEG-1, MPEG-2 καθώς και η επερχόμενη MPEG-4 στηρίζονται στη μέθοδο JPEG, για να συμπιέσουν κινούμενη εικόνα, δηλαδή ψηφιακό βίντεο. Το MPEG βασίζεται στην παρατήρηση ότι η κινούμενη εικόνα αποτελείται από διαδοχικές ακίνητες εικόνες (πλαίσια) που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Έτσι, δεν είναι απαραίτητο να αποθηκεύονται ή να αποστέλλονται όλα τα δεδομένα κάθε επόμενου πλαισίου, αλλά μονάχα εκείνα που έχουν μεταβληθεί. Τα δεδομένα αυτά απαρτίζουν τα προβλεπτικά πλαίσια (P-Frames). Βέβαια, ανά τακτικά χρονικά διαστήματα στέλνονται και πλήρεις εικόνες, συμπιεσμένες κατά JPEG, για να καλύψουν τις ριζικές αλλαγές των σκηνών. Αυτές οι πλήρεις εικόνες ονομάζονται πλαίσια αναφοράς (I-Frames). Τέλος, για να καλυφθεί και η περίπτωση όπου τα κινούμενα αντικείμενα στην εικόνα αποκαλύπτουν άλλα αντικείμενα κρυμμένα πίσω τους, υπάρχουν από την έκδοση MPEG-2 και μετά τα προβλεπτικά πλαίσια διπλής κατεύθυνσης (B-Frames). Σ' αυτά περιέχονται οι πληροφορίες των διαφορών όχι μόνο από το προηγούμενο πλαίσιο, αλλά και από το επόμενο.
Τα παραπάνω πλαίσια διαδέχονται το ένα το άλλο σε μια σειρά της μορφής Ι Β Β Ρ Β Β Ρ …κλπ. Τα πλαίσια αναφοράς εμφανίζονται τουλάχιστο μια φορά το δευτερόλεπτο. Αν στην ταινία υπάρχει έντονη δράση, τα πλαίσια αναφοράς εμφανίζονται συχνότερα, για να καλύψουν τις απότομες αλλαγές των πλάνων και γι' αυτό ο ρυθμός ροής των δεδομένων στην κωδικοποίηση MPEG δεν είναι σταθερός. Η μέθοδος πάντως προβλέπει ένα ανώτατο όριο σ' αυτό το ρυθμό, για να εξασφαλίσει ότι η κωδικοποίηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου (πχ. ψηφιακές κάμερες).
Η μέθοδος MPEG είναι πολύ απαιτητική σε υπολογιστική ισχύ, αλλά ταυτόχρονα είναι πολύ αποδοτική στη συμπίεση. Υπολογίζεται, για παράδειγμα, ότι, ενώ ο λόγος συμπίεσης στα πλαίσια Ι είναι 7:1, στα πλαίσια Ρ ανεβαίνει στο 20:1, ενώ στα πλαίσια Β μπορεί να φτάσει και το 50:1
20)Πώς λειτουργεί η μέθοδος συμπίεσης δεδομένων MP-3;
(Απάντηση σελίδα 310)
Η συμπίεση MP-3 (MPEGAudiolayer 3) για τα ηχητικά δεδομένα βασίζεται στην παρατήρηση ότι η ακοή μας δεν μπορεί να αντιληφθεί έναν ήχο που έχει γειτονική συχνότητα μ' έναν άλλον ισχυρότερο ήχο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται "ηχητική σκίαση", γιατί ο δεύτερος ήχος "καλύπτει" τον πρώτο. Η ηχητική σκίαση είναι εντονότερη όσο πιο κοντά βρίσκονται οι συχνότητες των δύο ήχων και όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στην έντασή τους.
Τα προγράμματα συμπίεσης MP-3 λαμβάνουν τα ψηφιακά δεδομένα για το πλάτος του ακουστικού σήματος στις διάφορες χρονικές στιγμές και με περίπλοκους μαθηματικούς μετασχηματισμούς υπολογίζουν το πλάτος του ακουστικού σήματος στις διάφορες συχνότητες (ανάλυση φάσματος). Στη συνέχεια, χωρίζουν το ακουστικό φάσμα σε 576 διαφορετικές περιοχές και εντοπίζουν μέσα σε κάθε περιοχή το πιο ισχυρό σήμα. Τα δεδομένα που αντιστοιχούν σε όλα τα άλλα σήματα απαλείφονται, γιατί, εφόσον σκιάζονται από το πιο ισχυρό, δε γίνονται ακουστά. Σ' αυτά που απομένουν εφαρμόζεται συμπίεση Huffman, για ακόμη μεγαλύτερη ελάττωση του αρχικού όγκου των δεδομένων.
21)Τι ονομάζουμε αμφίδρομη τηλεόραση; Να σχεδιαστεί το βασικό μοντέλο της.
(Απάντηση σελίδα 311)
Η τηλεόραση, με τη μορφή που οι περισσότεροι από εμάς γνωρίζουμε, είναι ένα μονόδρομο μέσο επικοινωνίας. Από τη στιγμή που θα συντονιστεί σε κάποιο τηλεοπτικό σταθμό, αναπαράγει σταθερά τη ροή του προγράμματός του, χωρίς δυνατότητα άλλης επέμβασης του θεατή σ' αυτό, πέρα από την αλλαγή του σταθμού
Έχοντας αυτό υπ' όψη οι εταιρείες και οι οργανισμοί που δραστηριοποιούνται στο χώρο της τηλεόρασης προσπάθησαν σε αρκετές χώρες να προσφέρουν στους τηλεθεατές τη δυνατότητα να επεμβαίνουν στο πρόγραμμα που παρακολουθούν στις οθόνες τους και όχι απλώς να το επιλέγουν. Οι μέθοδοι και οι τεχνικές που προτείνονται για την πραγματοποίηση αυτού του σκοπού αναφέρονται γενικά ως "αμφίδρομη τηλεόραση". Το βασικό μοντέλο της αμφίδρομης τηλεόρασης περιγράφεται στο σχήμα 9-6.1
22)Πώς εξασφαλίζεται η λειτουργία της αμφίδρομης τηλεόρασης;
(Απάντηση σελίδα 312)
Η εξασφάλιση του καναλιού επιστροφής αντιπροσωπεύει ένα αρκετά μεγάλο πρόβλημα για την αμφίδρομη τηλεόραση. Προτείνονται δύο βασικές υλοποιήσεις :
- Ασύρματη εκπομπή στην περιοχή των UHF, μέσω της υπάρχουσας κεραίας του δέκτη προς τοπικούς δέκτες συγκέντρωσης των εκπομπών επιστροφής ή μέσω ενός κυψελοειδούς συστήματος επικοινωνίας παρόμοιου με αυτό των κινητών τηλεφώνων.
- Καλωδιακή σύνδεση μέσα από συστήματα καλωδιακής τηλεόρασης ή μέσω των κοινών ή ISDN τηλεφωνικών συνδέσεων.
Κάθε λύση έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και η επιλογή βασίζεται στην προϋπάρχουσα υποδομή. Εδώ φαίνεται ότι οι τηλεφωνικές συνδέσεις κερδίζουν το προβάδισμα, γιατί βρίσκονται εγκαταστημένες ουσιαστικά σε κάθε σπίτι, ακόμη και σε περιοχές που δε διαθέτουν προηγμένες τηλεοπτικές υπηρεσίες.
